– les polynˆomes non constants primitifs et irr´eductibles dans frac(A).
Remarque. Le polynˆome 2Xet irr´eductible sur Qmais pas sur Z.
Lemme 2. Soient P, Q ∈A[X]tel que Psoit unitaire et P Q soit unitaire et `a coefficients entiers. Alors Qest unitaire
et Pet Qsont `a coefficients entiers.
Le fait que Qest unitaire est ´evident. ´
Ecrivons maintenant P=Xα+1
µPα−1
i=0 piXi, o`u les entiers µ, p0,...,pα−1
sont premiers entre eux dans leur ensemble (pour cel`a, il suffit de choisir pour µle ppcm des d´enominateurs des
coefficients de P). On ´ecrit de mˆeme Q=Xβ+1
νPβ−1
i=0 qiXi, avec ν, q0,...,qνpremiers entre eux dans leur ensemble.
On sait alors que les polynˆomes µP et νQ sont `a coefficients entiers et de contenu 1. On a donc 1 = c(µP )c(νQ) =
c(µP.νQ) = µν.c(P Q) = µν, ce qui implique que µ=ν= 1, i.e. que Pet Qsont `a coefficients entiers.
2.3 Exemple : polynˆomes cyclotomiques
Soit m∈N∗. On note Um={z∈C|zm= 1}l’ensemble des racines m-i`emes de l’unit´e dans C. On rappelle
que Umest un groupe cyclique, et on appelle racine primitive m-i`eme de l’unit´e tout g´en´erateur de Um. On note Pm
l’ensemble des racines primitives m-i`eme de l’unit´e.
D´efinition 8. On appelle m-i`eme polynˆome cyclotomique le polynˆome
Φm=Y
z∈Pm
(X−z).
Proposition 7. (i) Le polynˆome Φmest unitaire de degr´e φ(m).
(ii) Xm−1 = Qd|mΦd.
(iii) Φmest `a coefficients dans Z.
Les points (i) et (ii) d´ecoulent directement des propri´et´es de structure de Z/mZ. Montrons le point (iii) par
r´ecurrence :
– le r´esultat est imm´ediat pour m= 1 puisque Φ1=X−1.
– en supposant le r´esultat vrai pour tous les entiers inf´erieurs `a m, on obtient que U=Qd|m,d6=mΦdest un
polynˆome unitaire `a coefficients dans Z. On peut donc effectuer dans Z[X] la division euclidienne de Xm−1 par
U: il existe Q, R ∈Z[X] tels que Xm−1 = UQ +Ret deg(R)< deg(U). L’unicit´e de la division euclidienne
dans C[X] permet de conclure que Q= Φmet R= 0, ce qui implique que Φmest bien `a coefficients entiers.
Th´eor`eme 4. Le polynˆome Φmest irr´eductible dans Q[X].
Pour montrer ce th´eor`eme, il suffit de montrer que Φmest le polynˆome minimal de l’une de ses racines. Soit z∈Pm
et π∈Q[X] son polynˆome minimal (unitaire). On va montrer que πs’annule sur toutes les racines primitives m-i`emes
de l’unit´e, ce qui impliquera que Φm=π.
Commen¸cons par remarquer que comme Xm−1 s’annule en z,πle divise, donc il existe R∈Q[X] tel que
πR =Xm−1. Le lemme 2 affirme alors que πet Rsont `a coefficients entiers.
Consid´erons maintenant une racine ωde πet un nombre premier pne divisant pas m, et supposons que ωpn’est
pas une racine de π. Tout d’abord, comme πdivise Xm−1, on sait que ω∈Um, et donc que ωp∈Um. On a donc
0 = (ωp)m−1 = π(ωp)R(ωp). Comme on a suppos´e que ωpn’est pas une racine de π, on obtient R(ωp) = 0. Le
polynˆome π´etant irr´eductible, unitaire et s’annulant en ω, c’est le polynˆome minimal de ω, donc il divise R(Xp). Soit
S∈Q[X] tel que R(Xp) = π(X)S(X). `
A nouveau d’apr`es le lemme 2, Sest unitaire et `a coefficients entiers.
Ainsi, l’´egalit´e R(Xp) = π(X)S(X) est une ´egalit´e dans Z[X], et on peut la passer modulo p:¯
R(X)p=R(Xp) =
¯π(X)¯
S(X). Cette ´egalit´e nous assure que si Test un facteur irr´eductible de ¯π, alors Tdivise ¯
R(X)p, donc ¯
R(X). Par
cons´equent, T2divise ¯
R¯π=Xm−1 = Xm−1. Ceci est impossible car Xm−1 et sa d´eriv´ee mXm−1sont premiers
entre eux : en effet, comme mest premier avec p, on peut l’inverser dans Z/pZet 1
mXmXm−1−(Xm−1) = 1.
On obtient ainsi une contradiction ce qui montre que si ωest une racine de πet pun nombre premier ne divisant
pas m, alors ωpest aussi une racine de π.
Consid´erons maintenant une racine primitive m-i`eme de l’unit´e z′. On sait qu’il existe un entier npremier avec m
et tel que z′=zn. On ´ecrit n=pα1
1. . . pαℓ
ℓo`u les pisont des entiers premiers ne divisant pas m. D’apr`es la discussion
pr´ec´edente, et comme zest une racine de π, il est facile de montrer que z′est aussi une racine de π, ce qui termine la
preuve du th´eor`eme.
Proposition 8 (Un cas particulier du th´eor`eme de Dirichlet).Soit mun entier non nul.
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